JP5261664B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の真空ポンプに関するものである。

低い絶対ガス圧力の真空を発生させるために、以前から、高速回転ロータを備えた真空ポンプが使用されて有効である。この場合、ターボ分子構造またはホルベック構造の真空ポンプが有効である。この場合、支持は磁気軸受または転がり軸受で行われる。磁気軸受の製造費に関して大きな進歩があったにもかかわらず、転がり軸受は作業軸受としてなお真空ポンプでは欠かせられないものである。

転がり軸受は、できるだけ長い寿命を達成させるために潤滑剤を必要とする。転がり軸受の潤滑剤供給は２つのカテゴリーに分類することができる。
第１のカテゴリーにはグリース潤滑転がり軸受が所属し、グリース潤滑転がり軸受においては、潤滑剤が基材内に埋め込まれ且つ基材の中から潤滑剤が少量ずつ消費される。この場合、問題点は、たいていの使用においてグリースは大量に消費されたときにおいてのみ交換可能であるので、真空ポンプは製造時に投入されたグリース量で間に合わせなければならないことである。この結果、例えば、ロータの熱が本質的に転がり軸受を介して排除されることにより潤滑剤が加熱されるので、達成可能なロータ温度が低下するという欠点がある。グリースは常に転がり軸受に残留しているので、高温によりグリースが機能を失う危険性が存在する。

第２のカテゴリーには、その中を通って潤滑剤流れが形成される転がり軸受が所属する。必要な潤滑剤量が多量の場合には潤滑剤流れは潤滑剤ポンプにより、少量の場合には毛管力により保持可能である。このような軸受をドイツ特許公開第１０２００６０５３２３７号が開示している。

真空ポンプの寿命は第２のカテゴリーの転がり軸受を備えた真空ポンプのほうが第１のカテゴリーの転がり軸受を備えた真空ポンプより高いが、予想以上に高い摩耗が観察される。

少なくとも１つの転がり軸受により支持された高速回転ロータを有する真空ポンプの寿命を上昇させることが本発明の課題である。

この課題は請求項１の特徴を有する真空ポンプにより解決される。従属請求項２−１０は有利な変更態様を与える。
真空ポンプは内輪および保持器を備えた転がり軸受を有し、保持器は、内輪に向けられたその表面の一部分内にねじ山状溝を有している。この溝は内輪と保持器との間の軸受内部に潤滑剤を均等に供給する働きをする。これにより、潤滑剤流れの途切れが阻止される。さらに、この溝は内輪と保持器との間に持続する潤滑剤流れを形成するように働く。したがって、保持器と内輪との間の直接の機械的接触はもはや存在しない。要するに、この結果、転がり軸受の寿命したがって真空ポンプの寿命が著しく改善される。

転がり軸受が溝付玉軸受として形成されていることにより本発明がさらに改良されることが有利である。真空ポンプはできるかぎり種々の組込姿勢で運転可能であるべきである。この場合、溝付転がり軸受は、内輪にかかる軸の両方向からの軸荷重を支持可能なので有利である。

他の変更態様においては、ねじ山は保持器の周囲にわたり分配された多条溝を有している。これにより、供給作用および周囲にわたる潤滑剤流れの形成が均等になる。
他の変更態様は保持器に関するものである。この変更態様においては、保持器が円錐構造を有し、その内面が、ねじ山状溝を有する保持器の一部分に連続するように保持器が形成される。これはねじ山状溝への潤滑剤流れを改善するので寿命の上昇に寄与する。

本発明の変更態様は真空ポンプ内における転がり軸受の保持に関するものである。転がり軸受はロータの不釣合いに基づいて発生する振動が直接真空ポンプのハウジングに伝達されないように、転がり軸受は遊動可能に保持されていなければならない。この遊動可能性がない場合、ロータの振動は転がり軸受を損傷させることになるであろう。フランジ・ディスクは、例えばエラストマー・ディスクとして形成されていてもよい軸方向に圧縮可能な保持手段のための当接面を拡大させる。

一変更態様においては、フランジ・ディスクの少なくとも１つが外輪と一体に形成されている。このことはフランジと外輪との相対運動を回避させることになり、もしそれが回避されない場合、この相対運動は材料を摩耗させ、これにより最終的に潤滑剤を汚染させることになるであろう。汚染は一方で寿命の短縮を意味する。

他の変更態様においては、転がり軸受の材料は窒化マルテンサイト鋼を含む。この材料成分を有する転がり軸受は特に転がり軌道の範囲内においてきわめて耐摩耗性および耐食性があるので、寿命はさらに上昇される。

上記の変更態様は、材料が、表面に隣接するまたは表面を包囲する周辺層内に、加圧窒化マルテンサイト鋼を含むことにより、特にコスト的に有利にすることが可能である。高合金化中実材料を使用する代わりに、より有利な普通鋼が使用され且つこれが窒素雰囲気内における後処理によって硬化されてもよい。

上記の利点は、真空ポンプがターボ分子真空ポンプであるとき特に効果的である。この場合には、他の真空ポンプに比較して回転速度したがって軸受荷重が特に高いが、同時に潤滑剤の量は可能なかぎり少なくなる。

一実施例により本発明およびその変更態様を詳細に説明する。同時に他の利点も示す。
以下の図において同じ符号は同じ部品を示す。

図１に、以下においてターボ・ポンプと呼ばれるターボ分子ポンプ１の断面図が示されている。このターボ・ポンプは、ポンプ装置を含む上部部分１０と、および特に駆動装置６を収容する下部部分１１とを備えたハウジング１２を有している。この駆動装置は、軸２を、ガス摩擦ポンプ特にターボ・ポンプに対して毎分数万回転で高速回転させる。軸上に、羽根を支持するロータ・ディスク３が固定されている。ロータ・ディスクは軸上に間隔配置されている。このように形成された隙間内に、同様に羽根を備えたステータ・ディスク４が存在し、ステータ・ディスクはスペーサ・リング５により軸方向に間隔保持され且つハウジングの上部部分によって心出しされる。ポンプ・ハウジングは、さらに、ガス入口１４を包囲するフランジ１３を有し、フランジにより、ポンプを容器に着脱可能に固定することができる。ガスはガス入口からロータ・ディスクおよびステータ・ディスク内を通過して供給され且つガス出口１５から排出される。軸を回転可能に支持する軸受７を保持するために、軸受ホルダ８が設けられている。この軸受は、軸受ステータ７ａおよび軸受ロータ７ｂに向かい合って配置されている永久磁石を有している。このようにして、ターボ・ポンプの空間位置に応じてそれぞれ軸線に沿って力を発生する永久磁気軸受７が形成される。軸線は、以下においてアキシアル方向と呼ばれる方向を形成する。それに対応して、それに直角にラジアル方向が存在する。永久磁気軸受により発生される力は、以下において上方方向と呼ばれるフランジ１３の方向に向いていても、または以下において下方方向と呼ばれるフランジから離れる方向に向いていてもよい。

フランジとは反対側の軸端部に、定義により下端部に、転がり軸受を有する第２の軸受装置が設けられている。この転がり軸受は、内輪２０、外輪２１、保持器２２および一般には複数の転がり本体２３を含む。いわゆる噴霧ナット２５は転がり軸受の内輪を軸上に固定する。噴霧ナットは円錐形状表面を有し、その直径は転がり軸受の方向に拡大している。これにより、軸が高速回転したとき、噴霧ナットの表面上に存在する潤滑剤は軸受方向に供給される。潤滑剤は、例えば鼻形状の構造２７を介して、潤滑剤貯蔵装置２６から噴霧ナットの表面に到達する。多量の潤滑剤量に対しては、この潤滑剤貯蔵装置および潤滑剤の供給はタンクおよび潤滑剤ポンプにより置き換えられてもよい。転がり軸受の外輪は、上部アキシアル遊動リング３０によりアキシアル方向に、およびラジアル遊動リング３１によりラジアル方向に遊動可能に保持されている。軸受領域はカバー９により真空気密をなして閉鎖されている。

組み込まれた転がり軸受が図２に詳細に示されている。軸２上に噴霧ナット２５により固定された内輪２０と外輪２１との間に転がり本体２３が配置され、転がり本体は保持器２２により周囲に沿って分配され且つ所定の間隔をなして保持される。保持器の表面の一部分は内輪に向かい合わされている。この部分上にねじ山状溝２８が設けられている。このねじ山は保持器の内面上で周方向に伸長している。ねじ山の条数は、保持器の回転により潤滑剤に対して図示の矢印方向への供給作用が形成されるように選択されている。保持器は円錐３４を有し、円錐は矢印方向への潤滑剤の供給作用を行う。潤滑剤は遠心力作用により内側円錐面に沿ってねじ山状溝に供給される。上部フランジ・ディスク３２は溝とは反対側の外輪正面上に配置されている。

フランジ・ディスク３２および３３は着脱可能に外輪と接触していても、または一方または両方のフランジ・ディスクが外輪と一体に形成されていてもよい。これは、外輪がラジアル方向に移動した場合のフランジ・ディスクと外輪との相対運動を阻止する。この相対運動は材料を摩耗させしたがって潤滑剤を汚染させるであろう。潤滑剤の汚染は一方で軸受を破損させしたがって最終的にターボ・ポンプを破損させることがある。第１のアキシアル遊動リング３０は上部フランジ・ディスクとポンプ・ハウジングとの間に配置されている。第２のアキシアル遊動リング２９は下部フランジ・ディスク３３とハウジングとの間に配置されている。外輪２１とハウジングとの間にラジアル遊動リング３１が設けられているので、要するに外輪はあらゆる空間方向に遊動可能に保持されている。これは、ロータからハウジングへおよびその逆への振動の伝達を軽減させる。振動は転がり軸受それ自身内において阻止される必要がないので、寿命は延長される。転がり軸受は溝付玉軸受として形成されていることが有利である。これは、球形転がり本体が外輪の内面上に設けられている溝内を周方向に運動することを意味する。対応する溝が内輪の外面上に設けられている。両方の溝は、協働して、球が両方のアキシアル方向に僅かな遊びをなして固定されているように働く。これにより、玉軸受は両方のアキシアル方向に荷重を受けることができる。これは、ロータが僅かに傾いた場合、傾きの方向に追加の力を発生させるので、当然永久磁気軸受と協働したときに有利である。傾きは、組込み位置および運転条件に応じてそれぞれ、両方のアキシアル方向に形成されてもよい。

ねじ山状溝の可能な形態が図３に示されている。図に円錐３４を有する玉軸受の保持器２２が示されている。図の部分ａ）に一条のねじ山状溝２８が示され、この溝は内側を向く保持器の表面上を周方向に伸長している。この溝の範囲内に潤滑フィルムの形成が観察され、この潤滑フィルムは保持器と内輪との直接の機械的接触を阻止している。部分ｂ）内に、多条の溝を有するねじ山が形成されるように、複数の溝４０、４１および４２がいかに設けられているかが示されている。溝の断面および深さは供給量および潤滑フィルムの特性に対する要求に適合されてもよい。一変更態様においては、転がり軸受の材料は窒化マルテンサイト鋼を含む。特に転がり軌道の範囲内にこの材料成分を有する転がり軸受はきわめて耐摩耗性および耐食性があるので、寿命はさらに上昇される。

材料選択の有利な変更形態が図４により示されている。部分ａ）に転がり軸受の内輪２０の断面図が示されている。閉じた破線は内輪の外側からの周辺層４３を形成している。この周辺層は表面に隣接しているかまたは表面を含む。一点鎖線Ａは図の部分ｂ）内のプロフィルがそこから取り出された位置を与える。このプロフィルは深さｄに沿った窒素の重量シェアＷを与える。周辺層の端部を定義する深さ以降においては、窒素含有量は約０．３５重量％の値を下回っている。この深さＲは１ｍｍの数十分の一の範囲内にあることが有利である。窒素含有量は表面硬さおよび耐食性を改善する。窒素含有量が周辺層内においてのみ高いとき、安価な普通鋼を用いることができる。このとき、この窒素含有量は特に窒素雰囲気下で熱処理されたその表面付近において上昇される。転がり軸受の表面がこの処理に追加して層４４を有していてもよい。この層４４は、特に転がり本体と接触する外輪の内側表面上に設けられていてもよい。この層は、さらに、硬さまたは潤滑特性を有していてもよい。潤滑層は例えば二硫化モリブデンを含んでいてもよい。

上記の材料選択およびコーティングは内輪および外輪の両方においてまたはこれらリングの一方においてのみ使用されてもよい。高速回転するリングにおいては少なくとも図４に示す形状に形成することが有利であり、その理由は、この形状に対しては許容荷重が最も高いからである。図示の真空ポンプにおいては、これは転がり軸受の内輪である。

真空ポンプの軸線による縦断面図である。 転がり軸受の断面図である。 ａ）一条溝を有する、ｂ）多条溝を有する転がり軸受の保持器である。 ａ）転がり軸受内輪の断面図、ｂ）線Ａに沿った窒素含有量の定性線図である。

符号の説明

１ ターボ分子ポンプ
２ 軸
３ ロータ・ディスク
４ ステータ・ディスク
５ スペーサ・リング
６ 駆動装置
７ 永久磁気軸受
７ａ 軸受ステータ
７ｂ 軸受ロータ
８ 軸受ホルダ
９ カバー
１０ 上部部分
１１ 下部部分
１２ ハウジング
１３ フランジ
１４ ガス入口
１５ ガス出口
２０ 内輪
２１ 外輪
２２ 保持器
２３ 転がり本体
２５ 噴霧ナット
２６ 潤滑剤貯蔵装置
２７ 構造
２８、４０、４１、４２ 溝
２９、３０ アキシアル遊動リング
３１ ラジアル遊動リング
３２、３３ フランジ・ディスク
３４ 円錐
４３ 周辺層
４４ 層
Ａ 断面位置
ｄ 深さ
Ｒ 周辺層の終端深さ
Ｗ 重量シェア

Claims (9)

1. 高速回転ロータと、
   内輪および外輪を有し、それらの間で内輪および外輪により形成された中間空間内に保持器および転がり本体が配置されている、ロータを回転可能に支持する転がり軸受と、
   を備えた真空ポンプにおいて、
   転がり本体への潤滑剤の連続供給を保証するために、保持器が、内輪に向けられたその表面の一部分内にねじ山状溝を有し、
   保持器が円錐構造を有し、その内面が、ねじ山状溝を有する保持器の部分に連続することを特徴とする真空ポンプ。
2. 転がり軸受が溝付玉軸受であることを特徴とする請求項１の真空ポンプ。
3. ねじ山が多条溝を有することを特徴とする請求項１または２の真空ポンプ。
4. 第１のフランジ・ディスクが、溝から離れた外輪正面上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの真空ポンプ。
5. 第２のフランジ・ディスクが、溝に近い外輪正面上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの真空ポンプ。
6. フランジ・ディスクの少なくとも１つが外輪と一体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの真空ポンプ。
7. 転がり軸受の材料が窒化マルテンサイト鋼を含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの真空ポンプ。
8. 転がり軸受の材料が、表面に隣接するまたは表面を包囲する周辺層内に、加圧窒化マルテンサイト鋼を含むことを特徴とする請求項７の真空ポンプ。
9. それがターボ分子真空ポンプであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの真空ポンプ。

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